高壓氣動(dòng)球閥響應(yīng)時(shí)間的試驗(yàn)研究

張 開 ， 張劍剛 ， 王潤(rùn)青 ， 顏飛躍

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所 ， 河北 邯鄲 056027)

氣動(dòng)球閥是流體輸送的重要部件，為了確保流體輸送的安全性，氣動(dòng)球閥的性能和狀態(tài)非常重要。工業(yè)上對(duì)氣動(dòng)球閥的開啟時(shí)間，即響應(yīng)時(shí)間不做過多要求，而在化學(xué)激光器中，氣動(dòng)球閥的響應(yīng)時(shí)間直接關(guān)系到出光質(zhì)量[1-4]。不同化學(xué)氣體通過氣動(dòng)球閥輸送到化學(xué)激光器燃燒室中進(jìn)行反應(yīng)，如果球閥不能及時(shí)開啟，將會(huì)影響到試驗(yàn)氣體的配比，進(jìn)而影響到出光質(zhì)量。氣動(dòng)球閥的響應(yīng)時(shí)間是指從接受控制信號(hào)開始到換向閥換向動(dòng)作完成的時(shí)間。例如，對(duì)于氟化氘激光器主氣路NF3和C2H4來講，如果NF3的氣動(dòng)球閥響應(yīng)時(shí)間延時(shí)，那么輸送到激光器燃燒室的C2H4氣體偏多，將導(dǎo)致燃燒室內(nèi)產(chǎn)生結(jié)碳現(xiàn)象，造成很不利的影響。因此，對(duì)于化學(xué)激光器來講，氣動(dòng)球閥響應(yīng)時(shí)間的研究極為重要。

1 高壓氣動(dòng)球閥的參數(shù)及結(jié)構(gòu)

氣動(dòng)球閥的響應(yīng)時(shí)間必定與其參數(shù)密不可分，氟化氘激光器采用的是高壓氣動(dòng)球閥，參數(shù)見表1。

表1 氣動(dòng)球閥參數(shù)

由表1可知，氟化氘激光器采用的閥門通徑為50 mm，控制氣壓力為0.9 MPa，設(shè)計(jì)壓力為20 MPa，不同之處為氣缸容積，大氣缸用符號(hào)Ⅰ來表示，小氣缸用符號(hào)Ⅱ來表示。

一般來講，高壓氣動(dòng)球閥由信號(hào)指示器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電磁閥、球閥閥體及法蘭組成[5-6]。相比于手動(dòng)球閥，氣動(dòng)球閥主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離集中控制，而遠(yuǎn)程控制很大程度上減少了人力成本，并且增強(qiáng)了操作安全性。氣動(dòng)球閥是在球閥配上氣動(dòng)執(zhí)行器，此外還包括各種附件，如電磁閥、消音器、限位開關(guān)和定位器等。氣動(dòng)球閥采用氣動(dòng)執(zhí)行器對(duì)球閥進(jìn)行快速啟閉，其中氣動(dòng)執(zhí)行器原理為用壓縮氣體推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)球閥閥芯旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)動(dòng)作。

2 高壓氣動(dòng)球閥測(cè)量控制試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)以往試驗(yàn)摸索，對(duì)氣缸容積和壓力這兩方面因素進(jìn)行了研究。據(jù)此設(shè)計(jì)并搭建了一套試車臺(tái)，該試車臺(tái)由氣源、截止閥、減壓器、高壓氣動(dòng)球閥等各個(gè)部件和高壓氣動(dòng)球閥測(cè)量控制系統(tǒng)組成，工作介質(zhì)為氮?dú)?，如圖2所示。

圖1 高壓球閥測(cè)量控制試驗(yàn)系統(tǒng)框圖

高壓球閥測(cè)量控制系統(tǒng)主要由信號(hào)控制與數(shù)據(jù)采集單元和傳感器組成，通過采集限位器反饋信號(hào)來判斷球閥的響應(yīng)時(shí)間。

3 氣動(dòng)球閥評(píng)價(jià)方案

閥件評(píng)價(jià)前，需要開啟儲(chǔ)罐截止閥，將氣體輸送到高壓氣動(dòng)球閥上游，同時(shí)調(diào)節(jié)定壓減壓器，將輔助氣集氣管壓力調(diào)至設(shè)定壓力值0.9 MPa后，進(jìn)行閥件性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)。具體評(píng)價(jià)流程如圖2所示。

圖2 氣動(dòng)球閥評(píng)價(jià)流程圖

在實(shí)際評(píng)價(jià)試驗(yàn)中，響應(yīng)時(shí)間測(cè)試方法如下：氣源工作壓力≤18 MPa，在球閥控制氣壓力為0.9 MPa(絕對(duì)壓力)條件下，將氣動(dòng)球閥下游電動(dòng)減壓閥流量調(diào)至10 g/s，通過測(cè)量控制系統(tǒng)控制氣動(dòng)球閥開啟、關(guān)閉，通過限位開關(guān)測(cè)得其響應(yīng)時(shí)間。其顯示方式如圖3所示。

圖3 氣動(dòng)球閥響應(yīng)曲線

圖3表示氣動(dòng)球閥開啟時(shí)通過限位器電信號(hào)傳遞，一般來講，取平直段電壓值50%判斷氣動(dòng)球閥開啟情況，當(dāng)電壓值>1.33 V時(shí)表示氣動(dòng)球閥打開，此時(shí)通過測(cè)量控制系統(tǒng)采集氣動(dòng)球閥開啟時(shí)間；當(dāng)電壓值<1.33 V時(shí)，表示氣動(dòng)球閥關(guān)閉。顯示該氣動(dòng)球閥的響應(yīng)時(shí)間為0.380 s。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 氣缸容積對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響

按照測(cè)試方法分別對(duì)兩種不同氣動(dòng)球閥進(jìn)行了響應(yīng)時(shí)間測(cè)試，從中各挑選出3個(gè)不同球閥，測(cè)量其平均響應(yīng)時(shí)間，其結(jié)果如表2所示。

表2 氣動(dòng)球閥響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果

由表2可以看出，大氣缸(Ⅰ)氣動(dòng)球閥響應(yīng)時(shí)間普遍比小氣缸(Ⅱ)用氣動(dòng)球閥的長(zhǎng)，這是由氣動(dòng)球閥的氣缸容積決定的。大氣缸氣動(dòng)球閥的氣缸容積比小氣缸的大，氣體填充大氣缸所需要時(shí)間比小氣缸的長(zhǎng)，因此大氣缸氣動(dòng)球閥響應(yīng)時(shí)間比小氣缸氣動(dòng)球閥長(zhǎng)。

4.2 壓力對(duì)氣動(dòng)球閥響應(yīng)時(shí)間的影響

由于氣動(dòng)球閥的容積不同，響應(yīng)時(shí)間也有所差別，因此從兩種氣缸中選出兩個(gè)具有代表性的氣動(dòng)球閥來測(cè)試壓力對(duì)氣動(dòng)球閥響應(yīng)時(shí)間的影響。大氣缸(Ⅰ)和小氣缸(Ⅱ)。對(duì)于大氣缸(Ⅰ)進(jìn)行了響應(yīng)時(shí)間測(cè)試，研究了壓力在0.1～18 MPa下氣動(dòng)球閥響應(yīng)時(shí)間，其數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 大氣缸(Ⅰ)氣動(dòng)球閥的數(shù)據(jù)擬合曲線

由圖4可知，對(duì)于大氣缸，在壓力0.1～18 MPa時(shí)，隨著工作壓力的不斷增大，氣動(dòng)球閥的響應(yīng)時(shí)間不斷增加，而且響應(yīng)時(shí)間與壓力呈一次函數(shù)的關(guān)系。在工作壓力為0.1 MPa時(shí)，即球閥壓差為零時(shí)，其基礎(chǔ)響應(yīng)時(shí)間為0.322 s；在18 MPa時(shí)，其響應(yīng)時(shí)間為0.419 s，兩者差值為0.097 s。對(duì)于化學(xué)激光器來講，0.097 s的差距，對(duì)實(shí)際時(shí)序和反應(yīng)配比具有較大的影響。此外，對(duì)小氣缸(Ⅱ)的響應(yīng)時(shí)間研究了更寬范圍壓力下氣動(dòng)球閥的響應(yīng)時(shí)間，其數(shù)據(jù)擬合曲線如圖5所示。

圖5 小氣缸(Ⅱ)氣動(dòng)球閥的數(shù)據(jù)擬合曲線

由圖5可知，對(duì)于小氣缸，在壓力0.1～18 MPa時(shí)，隨著工作壓力的不斷提升，氣動(dòng)球閥的響應(yīng)時(shí)間不斷增加。在工作壓力為0.1 MPa，球閥前后壓差為0時(shí)，其基礎(chǔ)響應(yīng)時(shí)間為0.235 s，相比于大氣缸，小氣缸的基礎(chǔ)響應(yīng)時(shí)間更?。辉?5 MPa時(shí)，其響應(yīng)時(shí)間為0.355 s，兩者差值為0.120 s。此外，圖中虛線框表示當(dāng)壓力高于15 MPa時(shí)，小氣缸響應(yīng)時(shí)間急劇增加，不穩(wěn)定性增強(qiáng)，這是球閥所承受壓差載荷過大導(dǎo)致。在壓力為15～18 MPa時(shí)，相比于小氣缸，大氣缸響應(yīng)時(shí)間穩(wěn)定性較好，這是因?yàn)榇髿飧琢剌^大，可以承受更大載荷，即更高的壓差條件。

綜上，氣動(dòng)球閥的響應(yīng)時(shí)間隨著工作壓力的增大而增大，對(duì)于不同容積的氣缸來講，壓力對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響不同。在化學(xué)激光器試驗(yàn)中，不同管路氣動(dòng)球閥的開啟速度直接影響到增益發(fā)生器中氣體的化學(xué)反應(yīng)，因此工作壓力對(duì)氣動(dòng)球閥的影響不可忽視。在激光器試驗(yàn)中，需要對(duì)不同壓力下的氣動(dòng)球閥響應(yīng)時(shí)間做出預(yù)計(jì)，對(duì)控制時(shí)序加以修正，以便保證進(jìn)入增益發(fā)生器各種氣體的時(shí)序和流量能夠準(zhǔn)確匹配。

5 結(jié)論

為了滿足化學(xué)激光器對(duì)高壓氣動(dòng)球閥響應(yīng)時(shí)間的要求，通過搭建試驗(yàn)試車臺(tái)，對(duì)高壓氣動(dòng)球閥響應(yīng)時(shí)間展開了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：①在控制氣和壓力等條件相同情況下，大氣缸(Ⅰ)氣動(dòng)球閥響應(yīng)時(shí)間比小氣缸(Ⅱ)氣動(dòng)球閥長(zhǎng)。②在控制氣和氣缸容積相同情況下，高壓氣動(dòng)球閥響應(yīng)時(shí)間隨著壓力的增大而增加。③在其他情況相同時(shí)，大氣缸球閥可適應(yīng)更大的載荷，即更高的壓差條件。以上結(jié)論為化學(xué)激光器試驗(yàn)控制時(shí)序提供重要參考，保證了進(jìn)入增益發(fā)生器的各種化學(xué)反應(yīng)氣體時(shí)序和流量能夠準(zhǔn)確匹配。